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太陽光電板發展動向(下)   【作者： 高士】   2005年01月01日 星期六

瀏覽人次：【8709】 色素增感太陽能光電板 色素增感太陽能光電板又稱為濕式太陽能光電板（以下簡稱為色素增感光電板），低價、高性能的特徵，使得色素增感光電板扮演次世代太陽能光電板重要的候補角色。事實上色素增感光電板的發展歷史相當久遠，早期的光電轉換效率η大約只有1％，而且穩定性非常差。91年瑞士EPFL工科大學Graetzel教授發表AM1.5，η＝7.9％新型色素增感光電板，不過在93年與97年發表的光電轉換效率η則陸續突破10％與10.4％。由於色素增感光電板在50℃高溫環境下具備10年左右耐久性保證，而且製程簡單原料取得容易，目前已經成為歐、美、日研究的焦點。 根據日本產業技術總合研究所（以下簡稱為產研所）NEDO太陽發電技術開發計劃小組，針對上述光電板的構成要素，亦即二氧化鈦（titania）光電極最佳化、增感色素精製、色素固定化與電解質溶液等最佳化進行研究，根據實驗結果顯示，使用釕（ruthenium）色素N719構成二氧化鈦光電板的電轉換效率η＝9.6％；使用black dia構成二氧化鈦光電板的光電轉換效率η＝9.6～10.4％。 (圖一)是black dia二氧化鈦光電板的電流-電壓特性；(圖二)是可以高效率發揮光線封閉效應的二氧化鈦電極結構；(表一)是Graetzel教授與NEDO發表的二氧化鈦電極結構色素增感光電板的性能比較；(圖三)是上述增感色素光電板常用的polyene系與coumarin色素結構。 《圖一 black dia二氧化鈦光電板的電流－電壓特性》 《圖二　可高效率發揮光線封閉效應的二氧化鈦電極結構》 《表一　Graetzel教授與NEDO發表的二氧化鈦電極結構的色素增感光電板性能比較》 《圖三　色素增感形光電板使用的增感色素的結構》 色素增感型光電板使用的二氧化鈦等氧化物半導體、釕增感色素、有機增感色素以及電解質成份的價格非常低廉，若與矽質光電板比較時，色素增感形光電板的資源限制比較少，而且製程上採用連續印刷方式，不需使用價格昂貴的融爐與真空設備。實驗室的cell光電轉換效率為10％，模組化的光電轉換效率大約是8.4％，使用壽命超過10年以上，換句話說整體性能不比傳統矽質光電板差，而且製作容易設備低廉。 有關高性能有機增感色素的發展動向，如表一所示產研所的研究人員將thiophone導入coumarone骨架內，製作成全新的coumarone系色素，接著再使用該色素製作二氧化鈦光電板，根據測試結果顯示，該光電板的光電轉換效率為η＝7.7％(AM1.5,100mW/cm2)，它是目前全球最高光電轉換效率的有機色素系光電板。此外polyene色素系光電板的光電轉換效率η亦可達到6.8％的水準，釕系色素也具有同等效果。 理論上開發光吸收gap狹窄、高性能色素或是改善光電極的電子損耗過程，都可以提高色素增感型光電板的性能，例如N719色素（假設吸收gap為1.6eV，就可以獲得26mA/cm2的光電流）與二氧化鈦電極以及I－/I3－redox組合，假設理論上可以獲得最高的電壓與電流，如此一來： 《公式一》 (圖四)是澳洲STI開發的BIPV（Building Integrated Photo Voltaics）色素增感型光電板array模組的外觀；(圖五)是日本豐田中研開發的8片模組組合構成的色素增感型光電板的外觀，每片模組有30個24cm正方光電板單體。 to Voltaics）色素增感型光電板array模組外觀 《圖五　日本豐田中研開發的色素增感型光電板外觀》

2001年Uppsala大學的Hagfeldt教授以二氧化鈦為原料，利用press在塑膠表面製作二氧化鈦膜層，形成塑膠type色素增感型光電板，該光電板以10mW/cm2光線照射時，光電轉換效率η＝4.9％，因而促使日本各研究單位正式展開塑膠type色素增感型光電板的研究，(表二)是有關塑膠type色素增感型光電板的研究結果。

《表二　日本各研究單位的塑膠type色素增感型光電板研究結果一覽》

如表二所示，桐蔭橫濱大學是利用電氣詠動原理，將二氧化鈦微粒子在薄膜基板上堆積成緻密的膜層，並開發無白金的塑膠對極，試圖藉此形成低價的全塑膠化光電板，根據實驗結果證實8cm正方光電板的光電轉換效率η＝3.6～3.9％(AM1.5)；日立micro cell利用press製成的二氧化鈦光電極，與利用常溫溶融鹽電解質製成的可撓式塑膠光電板，以13mW/cm2光線照射時的光電轉換效率η＝5％(AM1.5)；岐阜大學則利用電析法與100℃水熱autoclave法製作1cm正方光電板，以13mW/cm2光線照射時的光電轉換效率η＝3.3％(AM1.5)。

一般認為輕巧無破裂之虞的塑膠光type色素增感型太陽能光電板，雖然目前仍處於研究摸索階段，不過由於可攜式電子產品的需求非常迫切，因此未來它的實用化日期可能會比預期更快。

太陽能光電板的標準輸出量測

低價結晶矽與非結晶矽太陽能光電板的實用化與高效率化，衍生許多有關光電板的輸出量測新課題，具體內容分別是光電轉換效率，接近理論極限的單結晶矽太陽能光電板，必需作高精度的輸出量測技術；第二是隨著多接合太陽能光電板的問世，利用基準太陽能光電板建立的傳統輸出量測方法已經面臨極限，換言之前者的輸出量測技術必需提高校正精度，後者則必需開發適合新型太陽能光電板使用的輸出量測技術，因此本文最後要介紹太陽能光電板的標準量測方法的發展經緯，同時說明以太陽能光電板為主體的JIS規格標準輸出量測法。

JIS規格標準輸出量測法的研究，起源於1974年日本太陽電池研究開發計劃；工業標準化則是以光產業技術振興協會太陽電池標準化委員會為中心，配合日本品質保證機構太陽電池cell module量測評鑑中心的協助共同制定JIS基本草案，在1983年以標準校正法的形式正式提案，標準化委員會以此屋內校正法為主體，確立標準輸出量測法體系，並在1983年創立太陽能光電板測定法規範JIS C 8911～8919，同時朝向國際標準化的認同（consensus）方向邁進，1983年上述屋內校被當作國際規格案，正式向IEC（International Electrotechnical Commission）提案。

最近世界放射量測基準（World Radiometric Reference；WRR）要求可追蹤（traceable）的放射照度量測，因此產研所開發可在模擬太陽光（solar simulation）使用，而且可作追蹤放射照度量測的大開口角絕對放射儀，利用該放射儀與WRR規定的追蹤放射照度量測規範，就可以作一次基準太陽能光電板的校正，該校正方法規格化後就成為日後JIS C8910一次基準太陽能光電板cell的規範，以及IEC的IEC TC 82的規範。

有關輸出電流對放射照度是否呈線性特性，基本可分為兩種系統，分別是代表線性的結晶系太陽能光電板JIS體系，與非線性的非結晶系（amorphous）太陽能光電板JIS體系。(表三)是一次基準太陽能光電板cell JIS C 8910，與非結晶系太陽能光電板cell JIS C 8910～8919，以及非結晶系太陽能光電板cell JIS C 8931～8940規格化的一覽。

《表三　太陽能光電板的JIS規範一覽》

基準狀態

此處所謂基準太陽光是希望以共通條件表示光電板的輸出，所以才會規定必需使用已規範的放射照度，與分光放射強度分佈的自然太陽光作量測基準。目前ICE與JIS規範已經正式採用自然太陽光的理論計算碼（code）。

(圖六)是基準太陽光的分光放射強度分佈特性。為採用自然太陽光的理論計算碼，全球的任意大氣條件與量測條件下的自然太陽光放射強度，與它的分光分佈可以輕易求得，此外在各種大氣條件下也可以輕易作光電板輸出與輸出值的換算。隨著理論碼的修正改良，基準太陽光具備可作變更的優點。

《圖六　基準太陽光的分光放射強度分佈特性》

實際光電板cell module的輸出量測，可以實現基準太陽光狀態的機會非常少，因此使用事先已在基準太陽光下校正過輸出值的基準光電板cell（以下稱為基準cell），設定或是量測光源的放射照度，同時可作等價性基準太陽光下的光電板cell module的輸出評鑑方法（以下稱為基準太陽電板方式），已經成為標準輸出量測方法而且正式被採用。此外為了同時使量測光源的放射照度與它的分光分佈兩要素，能夠配合基準cell進行機能調整，因此要求基準cell與被測太陽電板的相對分光感度兩者必需一致。

依照基準太陽電板進行光電板的輸出量測時，首先要以基準太陽光（分光放射照度Eref,λ）為前提，使用已校正的基準cell（分光感度Rref,λ），同時還需要調整模擬太陽光（solar simulation）的放射照度（分光放射照度Emeas,λ），使該輸出電流Iref－meas成為校正值Iref－ref，該輸出電流可用下式表示:

《公式二》

接著在模擬太陽光下量測被測太陽電板（分光感度Rcell,λ）的輸出，由於基準cell與被測太陽電板相對分光感度兩者相同，所以可用Rcell,λ＝kRref,λ表示，被測太陽電板的輸出電流Icell－meas根據公式（2），可用下式表示:

《公式三》

雖然量測光與基準太陽光的分光分佈並不相同，而且被測太陽光電板與基準cell的相對分光感度的不一致，會產生所謂的輸出量測誤差（spectrum miss match誤差），不過JIS規範要求誤差只要低於2％以下即可。類似JIS規範為降低spectrum miss match誤差、溫度補正與放射照度補正造成的誤差，因此要求量測時必需使用太陽光電板量測用模擬太陽光（solar simulation），同時還需在一定範圍的溫度與放射照度標準狀態（standard test environment）下進行輸出量測作業（例如JIS C8913、8914、8919、8934、8935、8940等規範）。

JIS規範的基準太陽下輸出值為已校正的基準cell，該基準cell可分為一次基準cell與二次基準cell兩種，但不論哪一種都是可以用於來制定測量光的放射照度。二次基準cell是利用一次基準cell校正的基準cell，所以被稱為一次基準cell校正值的副本（例如JIS C8911、8931等規範）。在全球標準化競爭非常激烈的環境下，一次基準cell的校正方法（例如JIS C8910）成為重要的研究議題。

基準cell的校正值基本上是利用基準太陽光的絕對分光放射照度，與基準cell的絕對分光感度，兩者相乘的積的全波長經過積分後求得。由於已商品化太陽能光電板cell module的基準cell，對放射照度並無輸出電流的線性特性，因此必需在接近基準太陽光的近偏壓（bias）光照射下，利用交流法（使用lock in amplifier）進行分光感度量測。此外由於基準cell的絕對分光感度不易作高精度直接量測，因此出現許多校正方法的提案，其中最直接的方法是德國的DSR方式（Differential Spectral Response Method），直接量測基準cell的絕對分光感度，該方法對基準cell的輸出電流放射照度，要求非常嚴苛的線性特性，該方法最大缺點是欠缺泛用性，雖然是根據SI單位（System International Unit）制定，卻不是「traceable to WRR」；美國提案的直接日射下（direct sunlight method）基準cell屋外校正法，最大缺點是可以滿足適合校正的大氣條件的機會非常少；為增加校正的機會，因此日本開發solar simulator method（與JIS C8910相同）屋內校正法，該方法是根據分光放射照度標準燈泡基準，計算放射照度為100W/m2時的基準cell絕對分光感度特性，它與上述DSR方式不同，因此基準cell的線性特性問題比較少而且實用極高，但不論哪種方式以上介紹的量測方法，最終都可以求得基準cell的絕對分光感度，至於最後何者被採用，則取決於實際驗證後的校正機會多寡、校正精度的高低以及維修的容易性等等。

JIS規範中分別記載根據分光放射照度標準燈泡為基準，制定的屋內校正方法(a)，與根據WRR制定的屋內校正方法(b)兩種校正方法。(圖七)是上述兩校正方法的構想圖，其中屋內校正方法(a)是已經正式實施的一次基準太陽能光電板的校正方法；屋內校正方法(b)是已經將考測儀精度可靠性（traceability）納入考量的校正方法，不過該方法卻必需使用「即使在模擬太陽光（一般光束擴散角度超過10°）亦可使用，而且對WRR亦能作traceable放射照度量測絕對放射儀」。由此可知圖七右側的基準太陽光電板的校正，必需使用大開口角（例如40°）的絕對放射儀，此外圖上方還需裝設的開口角5°的準直儀（collimator），並在太陽光下（完全平行的光束）進行與WRR放射儀（開口角5°）的比較量測。

根據分光放射照度標準燈泡的屋內校正方法

一次基準太陽能光電板cell方法，分別量測一次基準太陽能光電板cell的分光感度特性Q(λ)、短路電流ISC(m)與模擬太陽光的絕對分光放射照度Φm(λ)，接著根據以上實測值與AM1.5基準太陽光下的分光放射照度Φ(λ)，利用下式計算一次基準太陽能光電板的短路電流，最後再以該計算值當作校正值ISC(c)。

《公式四》

根據世界放射量測基準的屋內校正方法

本方法是依照世界放射量測基準制定的屋內校正方法，它是上述(a)項分光放射照度標準燈泡的屋內校正方法，追加使用traceable絕對放射儀量測模擬太陽光的絕對放射照度EM，接著計算分光放射照度燈泡的校正係數α（幾乎接近1）。具體方法是利用下式計算一次基準太陽能光電板的短路電流，再以該計算值當作校正ISC(c)。

《公式五》

有關校正順序，校正方法(a)的校正順序如下:

校正方法(b)的校正順序如下:

《圖七　一次基準太陽能光電板cell的校正方法》

有關CdS/CdTe等CIS(CuInSe,Cu(InGa)Se2)新型化合物半導體薄膜太陽能光電板的輸出量測方法，包含光產業技術振興協會太陽電池標準化委員會在內的檢討作業結果證實，輸出電流對放射照度具有線性特性，換言之結晶系太陽能光電板JIS規範可以比照使用，至於量測用模擬太陽光規範的基準太陽光能量分佈波長的範圍，是否可以擴大則有待進一步的討論驗證，一般認為一旦討論結果被接納，立刻就會成為JIS規範。

此外多接合太陽能光電板是由具有相異波長頻寬感度的複數要素的cell串聯連接構成，尤其a－Si/a－SiGe等非結晶系太陽能光電板，與InGaP/GaAs/Ge等化合物系太陽能光電板陸續商品化，由於這類多接合太陽能光電板是由要素cell串聯連接構成，因此各要素cell之間會有不協調（miss match）問題，而且低光電電流的要素cell對貫通電流（多接合cell的輸出電流）具有支配性，因此利用基準太陽能光電板進行多接合cell的輸出量測時，必需分別準備要素cell用基準cell（基準要素cell），而且還需要準備可以滿足上述任何一個複數基準要素cell校正值，同時作分光放射照度分佈的模擬太陽光。

有關基準要素cell的準備與校正，由於感度波長頻寬極易產生頻譜不協調現象，因此作業上必需格外注意。有關模擬太陽光的研究，分別有多光源法與補助光源法兩種，前者的研究重點是調整要素之間的電流不協調；後者則是具備電流不協調的調整同時，試圖利用該調整使模擬太陽光的近似度上升，根據研究結果顯示測定光源在可能範圍下必需盡量高近似度，如此一來補助光源法就可以獲得2～3％的量測精度，然而實際上若欲提高量測精度，必需根據接近基準太陽光的自然太陽光進行輸出量測。

至目前為止日本的ICE國際規範對太陽光能電板的研發貢獻另人非常側目，其中又以根據分光放射照度標準燈泡的屋內校正方法，更成為國際性一次基準太陽光能電板cell的校正方法，除此之外有關根據分光放射照度量測，在基準太陽光下進行修正計算的美、德標準量測方法也正式被採納。

新開發的WRR屋內校正方法是傳統校正方法的延續，由於該方法考慮放射照度量測的國際性精度可靠性（traceability），加上兩者校正資料重疊，因此標準燈泡基準與WRR基準的power基準差異可望被建立。有關多接合太陽光能電板的輸出量測，隨著要素cell段數的增加越來越困難，一般認為利用自然太陽光的屋外量測，雖然採光條件、大氣條件，必需作某種程度的變化同時補正，不過整體而言實用性非常高。在自然太陽光下進行太陽光能電板cell module的輸出量測，由於太陽光能電板的分光感度入射角依存性，會造成1～2％的量測誤差，因此未來仍有待克服。

結語

以上介紹傳統結晶矽、非晶矽、化合物半導體與色素增感型太陽光能電板的技術發展動向，同時深入探討歐、美、日等國制定的太陽光能電板的量測方法與檢測規範。

由於太陽能光電板屬於永續電力的關鍵性元件，因此被視為次世代可攜式電子產品的主要電力來源，在此同時有關太陽光能電板的特性檢測規範制定，則是這波新科技不可或缺的配套措施。

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